Desarrollo de un Invernadero Innovador y Portatil Utilizando Desarrollo Grafico de Sistemas

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"El principal componente del invernadero inteligente portátil es el controlador central inteligente basado en la AI. Programamos el controlador principal en LabVIEW utilizando el Toolkit de Control Inteligente para LabVIEW (de patente pendiente) que desarrollamos en el 2008."

- Pedro Ponce, Monterrey Institute of Technology

The Challenge:
Crear un sistema inteligente para el prototipo de un invernadero portátil que administre todos los recursos incluyendo la alimentación de energía y nutrientes, controle las variables ambientales para obtener resultados óptimos en el cultivo, y minimice las pérdidas del sistema a través de ingeniería verde.

The Solution:
Utilizar un controlador basado en inteligencia artificial (AI) y programado con LabVIEW para medir sensores y controlar actuadores en el invernadero con una interfaz de hardware basada en el dispositivo de adquisición de datos (DAQ) NI USB-6211, así como monitorear la alimentación de potencia de un generador eólico y celdas fotovoltaicas con el controlador de CompactRIO NI cRIO-9014.

Author(s):
Pedro Ponce - Monterrey Institute of Technology

La aeroponía es un método para cultivar plantas utilizando aire o vapor de agua sin tierra. Es un método alterno de cultivo que no se ve afectado por fenómenos ambientales como la sequía o exceso de agua, que genera productos de menor cantidad y menor calidad. La aeroponía es una buena técnica a utilizar en lugares cuyo clima es adverso al crecimiento de ciertas plantas. Adicionalmente, las plantas no requieren de invertir su energía en extender y crecer sus raíces; por el contrario, esta energía se utiliza en mejorar la calidad del cultivo en términos de tamaño, sabor y propiedades nutritivas. Sin embargo, este método requiere de inversión y capacitación intensa por parte de expertos, la cual puede ser costosa en sus etapas iniciales.

Algunas de las ventajas de la aeroponía incluyen la ausencia de contaminación generada por máquinas de cultivo, desaparición de los riesgos por erosión, habilidad de producir de forma masiva, capacidad de cultivar en las ciudades, reducción del uso de recursos, nula necesidad de utilizar químicos y la habilidad de poder automatizar la mayor parte del proceso.

Para desarrollar un sistema que administre todos los recursos incluyendo la alimentación de energía y dosificación de nutrientes, controle las variables ambientales para optimizar los resultados del cultivo, y minimice las pérdidas del sistema utilizando técnicas de control inteligente e ingeniería verde, hemos propuesto un prototipo de invernadero portátil, inteligente e innovador basado en aeroponía que se puede utilizar en lugares como restaurantes o ambientes domésticos debido a su flexibilidad y facilidad de uso.

El invernadero se caracteriza por 2 cualidades principales. La primera cualidad es que un invernadero portátil está diseñado para poderse ubicar dentro de edificios o casas, mientras que un invernadero convencional regularmente no lo puede lograr.  La segunda, este invernadero es inteligente lo que significa que las variables y las reacciones de causa-efecto que afecta el crecimiento son tomadas en consideración y el sistema genera una respuesta basada en el análisis de la información.

El uso del invernadero inteligente portátil presenta varias ventajas:  puede ser operado por operadores sin tener experiencia en aeroponía; el costo inicial de desarrollar un invernadero se reduce considerablemente; y se pueden cultivar de forma individual diferentes cultivos como tomates, chiles, y lechuga. Nuestro invernadero portátil inteligente será utilizado como la plataforma principal para una nueva generación de invernaderos a implementarse en Cuernavaca, Morelos, incluyendo un invernadero de 1,200 m2.

Breve Descripción del Invernadero Portátil Inteligente

Estructuralmente, hemos diseñado el invernadero en tres partes: el campo de cultivo, el sistema de alimentación de energía, y el controlador inteligente del sistema. Las plantas crecen en el campo de cultivo que incluye un tanque de nutrientes, un sistema de mangueras y un tanque de agua para controlar la temperatura dentro del campo. Todos los sensores y actuadores del controlador inteligente están físicamente ubicados en el campo de cultivo y protegidos mediante una cubierta plástica hermética.

El segundo componente del invernadero portátil inteligente es el sistema de alimentación de energía que energiza todos los dispositivos eléctricos/electrónicos.  Para desarrollar un invernadero sustentable, utilizando técnicas de ingeniería verde como una turbina de viento de 400W y una celda fotovoltaica de 60W que energizan el sistema con 3.3 kWh por día considerando condiciones ambientales pobres.  El sistema también cuenta con un inversor y una batería.

El tercer componente es el sistema controlador inteligente.  Éste está subdividido en la interfaz con sensores y actuadores, el controlador para conmutar entre las fuentes de energía, el controlador inteligente central, y el hardware para conectarse con los circuitos.

Monitoreo y Control del Invernadero Inteligente

Diferentes variables en el invernadero afectan la calidad y cantidad del cultivo. El invernadero portátil inteligente cuenta con soporte para controlar la cantidad de nutrientes, intensidad de luz, temperatura, y humedad dentro del campo.  Otra variable importante a controlar es la alimentación de energía. Utilizamos un conjunto de sensores para medir todas estas variables y varios actuadores para tomar acciones de control.

El módulo de adquisición de datos multifunción de la Serie M USB-6211 realiza la adquisición de datos y generación de señales para las variables de intensidad de luz, temperatura, humedad, y nutrientes. También utilizamos el controlador de tiempo real cRIO-9014 con 128 MB de memoria y 2 GBs de almacenamiento en conjunto con los módulos NI 9265 de salidas analógicas y NI 9215 de entradas analógicas para monitorear y controlar el sistema de suministro de energía. Finalmente, procesamos los datos en el controlador inteligente central para crear una respuesta razonable al sistema completo.

Controlador Inteligente Central

El componente principal del invernadero inteligente portátil es el controlador central basado en inteligencia artificial. El controlador está compuesto de lógica difusa para controlar la intensidad de luz y regulación de nutrientes, y redes neuronales para controlar la temperatura, humedad, y suministro de energía.  El controlador central fue programado utilizando el Toolkit de Control Inteligente para LabVIEW de patente pendiente que desarrollamos en el 2008.

Controlamos la intensidad de luz y la regulación de nutrientes a través de lógica difusa y el controlador central utiliza los valores de humedad, intensidad de luz actual y temperatura. Propusimos tres funciones de membresía por entrada considerando 27 reglas difusas para obtener la respuesta. Estas reglas fueron desarrolladas basadas en datos de granjeros expertos, libros, documentos de investigación y datos experimentales. Una vez propuestas las funciones por entrada, las funciones de membresía de salida para la intensidad de luz y nutrientes es reportada.

Utilizando redes neuronales, desarrollamos los controladores de temperatura, humedad y alimentación de energía. Inicialmente adquirimos datos experimentales utilizando la USB-6211 para medir la temperatura dentro y fuera del invernadero. Para modelar el sistema mediante redes neuronales dinámicas utilizamos 2,880 muestras y un algoritmo de entrenamiento por “backpropagation” para encontrar el modelo del sistema en términos de temperatura. Finalmente, modelamos el controlador con redes neuronales dinámicas porque así puede operar en cualquier setpoint, comparado con el control PID clásico que trabaja con un solo setpoint.

Modelamos el controlador de la fuente de alimentación con redes neuronales dinámicas utilizando tres fuentes de información diferentes: datos reales, un modelo neural del generador y el de celdas fotovoltaicas, y ecuaciones matemáticas. Tratamos el modelo del generador y las celdas fotovoltaicas de la misma forma que el modelo de la temperatura interna del invernadero pero nos basamos en las variables de radiación y velocidad del viento contra la cantidad de energía suministrada.  Así el controlador puede mudar entre los dos sistemas de alimentación mediante la predicción de la máxima potencia suministrada.

Author Information:
Pedro Ponce
Monterrey Institute of Technology
Calle Del Puento 222 Col. Ejidos de Huipulco
Mexico City 14380
Mexico
Tel: 52 (0155) 54832185
pedro.ponce@itesm.mx

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